哈尔滨工业大学循环流化床课件.doc

第二章 流化床内气固两相流的流体动力特性2.1流化床的定义：固体颗粒在气体的作用下，呈现出流体的特性，即流态化，其实质是气固两相流动。当颗粒处于流态化时，作用在固体颗粒上的重力与气流的拽力相平衡，颗粒处于一种悬浮状态，具有以下特点：1. 任一高度的静压近似等于此高度上单位床截面内固体颗粒的重量。：（空隙率）2. 床层倾斜，床表面总是保持水平。3. 床内固体颗粒可以像液体一样，从底部或侧面的孔中喷出。（溢流口）4. 可以像液体一样从一个容器流入另一个容器，并保持水平。5. 窄筛分颗粒流化后会非常均匀，宽筛分颗粒会分层流化。6. 床内颗粒混合良好，整个床层的温度基本均匀。2.2固定床的压降：流体通过颗粒层的阻力固定床压降的研究是在渗流基础上发展起来的。研究表明，流体以层流的形式通过散料床层时，流体的空塔截面速度u与床层压降P成正比。当1Re1000时 式中，H为床层高度，m；为动力黏度，pa . s；u为气体空截面速度，m/s；为气体密度，kg/m3。Ergun在前人研究结果的基础上，通过试验得出包含层流和湍流床层压降综合表达式：式中，为球形度，定义为与实际颗粒体积相等的球形颗粒的表面积与其实际表面积之比。为床层空隙率。该式第一项为黏性项，当流速较低时，它占主导作用；第二项为惯性项，当流速较高，流动为湍流时，该项起主要作用。2.3临界流化速度临界流化床是流化床操作的最低速度，是描述流化床的基本参数之一。确定临界流化速度的方法主要有理论计算和实验测定两种。临界流化速度是当床层压降等于床层颗粒重量时所对应的流体速度，可由Ergun方程导出两边同乘以得到，Ar叫阿基米德数。为动力黏度，pa.s。计算公式中C1、C2系数值作 者C1C2作 者C1C2Wen and Yu(1966)33.70.0408Babu (1978)25.250.0651Bourgeois (1968)25.460.0384Thonglimp(1984)19.90.0320Richardson(1979)25.70.0365Grace(1982)27.20.0408Saxena(1977)25.280.0571Zheng(1985)18.750.0313对于宽筛分物料（010mm），国内采用下面公式计算临界流化速度沸腾层温度下运动粘度，m2/s。为床层空隙率，若在体积为V的粉体中，气体与颗粒所占的体积分别为Vg和Vs。；细颗粒的空隙率的变化范围为0.26-0.48，通常为0.45左右。空隙率的大小与颗粒的形状、颗粒粒径分布、填充方式、流化条件有关，对于燃煤锅炉，一般，11200/2400 0.5为球形度，表示颗粒接近球体的程度，例如，球形颗粒的球形度为1.0。一些典型物料的球形度物料沙平均值石灰石煤（压碎）煤（磨碎）园砂粉碎的砂石0.750.450.650.730.92-0.980.8-0.9例题1：计算300砂粒的临界流化风速。已知砂粒密度，床温825，气体密度，气体动力黏度=103.7=0.0368m/s例题2 宽筛分煤的粒度010mm，平均粒径为dp=1.5mm，煤灰密度，烟温为900，已知烟气密度kg/m3，烟气动力粘度4.65105 p.s，求临界流化速度。沸腾层温度下运动粘度，m2/s。m2/s11537.7m/s如果按窄筛分物料公式计算得到：=0.7496m/s温度对不同粒径颗粒的临界流化速度的影响粒径（）27空气中(cm/s)800烟气中(cm/s)400.1590.05800.6390.2071000.9980.3232003.961.2940014.955.1660029.7911.5680045.0920.37100059.2431.302000111.5105.23000147.0182.34000175.2248.35000199.1304.0不同温度下临界流化速度随粒径的变化关系2.4平均颗粒粒度dp国内流化床床料平均粒径计算方法采用重量平均径xi为两筛之间物料的重量份额。，分别为相邻两筛的筛孔直径。国外采用调和平均径（Harmanic sauter diameter）或称比表面积体积平均径。， 在工业中，粒度分布有时采用表示，表示有50重量的样品低于这个粒度。例如，循环流化床锅炉煤入炉粒度要求1.25mm。2.5临界流化速度实验测定确定临界流化速度的最好方法是通过实验测定。降低流速u使床层自流化床缓慢地复原至固定床，同时记下相应的气体流速u和床层压降P，在双对数坐标纸上标绘得到如图23曲线。通过固定床数据区和流化床数据区的点各自画线（撇开中间区数据），这两条直线的交点即是临界流化点，对应的横坐标的速度即是临界流化速度。图中ubf为起始流态化速度，此时床层中有部分颗粒进入流化状态。图中utf为完全流态化速度，此时床层中所有颗粒进入流化状态。对于粒径分布较窄的床层，ubf、utf三者非常接近，有时很难区分。2.6颗粒的分类1973年Geldart将固体颗粒分为四大类，即A、B、C、D四类。颗粒的属于哪一类主要取决于颗粒的尺寸和密度，同时也取决于流化介质的性质。如图所示。C类粒子：很细，一般小于20（），粒子间作用力与重力相近，难以流化，如果要流化该类粒子，则需特殊技术，否则常会造成沟流。A类粒子：一般在20100（），这类粒子能很好流化，但表观速度在超出临界流化速度后，气泡不立即出现，床层会发生明显膨胀，进一步增加气速，膨胀的床层会出现气泡，存在最小鼓泡速度。很多循环流化床分离器分离下的颗粒属于A类粒子。B类粒子：粒径通常在100500（一说为650）（），它们能够流化得很好。气泡在大于临界流化速度后立即出现，大部分CFB锅炉采用这类粒子。D类粒子：是所有颗粒中最粗的，通常达到1mm或更大。虽然它们也会鼓泡，但固体颗粒的混合相对较差，更容易产生喷射流。需要较高的气速去流化。下表给出Grace J. R. 1984年给出的不同类型的颗粒特性比较。A类粒子的最小鼓泡速度umb可由Abrahamsen和Deldart(1980)提出的公式计算：F是颗粒小于45的质量份额。2.7散式流态化和鼓泡流态化Wilhelm和郭慕孙首先采用弗鲁德准则数来区分这两种流化形式。散式流态化 鼓泡或聚式流态化：也有建议采用4个无因次群来表征流态化形式散式流态化：聚式流态化：2.8鼓泡床模型简介最著名的鼓泡床模型是将床层处理为气泡相和乳化相。许多流化床模型都假定多于临界流化的气体量都以气泡的形式通过床层，即经过大量的研究后发现：(1) Vb/A的实测值通常小于u - umf的计算值，在气栓流（节涌）条件下，与实测值比较接近，但在布风板上方附近和高速条件下，Vb/A的实测值与u-umf差别特别大。(2) 对上式还不能做出经验或半经验的修正。(3) 存在无法实测的两相之间气体流动分量。对于气泡相，气体能够通过气泡边界；对乳化相，气体从颗粒间隙流入气泡。目前尚不能定量描述这一气体的流动分布。(4) 对上式可以谨慎地用于近似估算。有许多作者将平均气泡直径表示为高度的函数，其中最好的是Mori与Wen和Darton提出的模型。在Mori与Wen的模型中，首先计算最大气泡直径气泡沿床高的分布为该公式主要应用于：0.5umf20cm/s，60dp450，u-umf48cm/s，当量床直径D130cm的操作范围。其主要特点是考虑了床径对气泡大小的影响。Darton提出了一个气泡沿床高几何合并的模型，得出：式中，A/Nor是每个小孔对应的布风板面积。在某一床高处，气泡的速度可用下式估算Staub和Canada提出了计算床层平均空隙率的计算式如下：当u较接近umf时计算误差较大，当速度较高，接近过渡到湍流方式时，其计算结果令人满意。2.9颗粒终端速度FD F浮 G ut当一个颗粒在无限静止的介质中，在重力作用下作自由落体运动时，颗粒在重力作用下加速，降落一段时间后，当流体对颗粒的阻力浮力颗粒的重量时，颗粒即以等速降落，这个速度称为颗粒的终端速度或自由沉降速度ut。FD+F浮= G曳力系数C是Re的函数，可分为3个区, 层流区Re2，C=过渡区Re=2500，C=湍流区Re=500150000，C0.44代入计算公式，得到球形颗粒终端速度的分区解析式为 Re2 Re=2500 Re=500150000以上公式是基于球形颗粒，对于非球形颗粒，要对加以修正，乘以修正系数kt后即为非球形颗粒的终端速度。当时当Re1000，修正系数：dv: 等效体积直径，就是与颗粒有相同体积的球形颗粒直径。当Re在21000之间，kt采用插值求得。2.10节涌(slug)形成节涌的一个必要条件是稳定气泡尺寸Dbmax大于0.6倍的床径D(Geldart,1986)。最小节涌速度:uslug = umf +0.07(gD)0.5D为床直径，对于矩形床截面，采用当量直径来代替，D当量4面积/周长。2.11湍流流化床P uk uc 当鼓泡流化床的气体流速继续增加时，气泡相互作用加剧，气泡的合并和分裂更加频繁，压力波动的幅度也增大。当气速超过某一气速uk，压力波动开始减小，大的气泡开始消失；超过另一气速uc，压力波动的幅度值要比这时床压小得多，同时波动频率非常高，通常已经看不到气泡。操作速度在ukuc范围之内的流化床即为湍流流化床。目前尚无通用的从鼓泡床向湍流床转变速度的计算公式，根据小直径床的实验结果，具有一定的适用范围（J. Grace,1982）。适用条件：。Horio和morishita(1988)提出不同的公式：（Ar 104）湍流流化床的运行风速会高于细粒子的终端速度，而低于粗粒子的终端速度。在湍流流态化状态下，气固接触良好，反应器接近理想的返混式反应器。床层平均空隙率一般在0.70.8。例题3计算300砂粒的临界流化速度，最小鼓泡风速，最小节涌速度，湍流流态化的转变速度，终端速度。已知砂粒密度，床温27，床截面积0.2030.203m2,气体密度，气体动力黏度。解1.umf计算=2267=0.086m/s2umb计算颗粒属于B类粒子，高于umf床层会立即产生气泡。umbumf0.086m/s3.